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嵌入式智能家居安防监控系统的设计与实现 摘要 随着科学技术的发展及人们生活水平的不断提高，人们越来越关注家居环境的舒适 和家庭的安全防范。智能家居安防监控系统能帮助人们更好地管理各种生活细节，实现 “以人为本”的全新家居生活体验，营造出更和谐生动的家庭氛围。本文在分析现有智 能家居监控系统的基础上，借鉴其成功经验，提出了一套完整的智能家居安防监控系统 解决方案。本系统以a r m 9 平台为基础，应用嵌入式l i n u x 、w | e bs e r v e r 、流媒体远程 监控、运动目标检测、s q l i t e 数据库等相关技术，并结合i n t e m e t 、z i g b e e 和g p r s 三 种网络，该系统有效地提高了智能家居安防系统的智能化程度，并对现今智能家居安防 系统提出了新的方法和思路。 本文采用复合型触发报警的系统设计思想，融合了运动目标检测报警、人体红外报 警以及火灾报警等多种报警方式，实现了对家庭中各种异常情况的有效感知。当有异常 情况发生时，系统主机将自动进行图像的采集，并为图片打上时间标签，通过g p r s 网 络以m m s 和s m s 的形式传送到远程手机，使用户可及时直观清晰的掌握家中实时情 况，并可通过短信的方式对家中电器进行直接控制。环境监测方面引入z i g b e e 无线传 感器网络，节省了布线的费用并降低了监控模块的功耗。系统通过搭建w e b 服务器， 并使用h t m l 、j a v a s c r i p t 和c s s 技术设计了本系统的监控界面，可直接在w e b 浏览器 上实现远程家电控制、远程视频监控、系统设置、用户管理等一系列操作。在客户端引 用了a j a x 技术来与服务器实现异步通信，有效的提高了服务器的响应效率。并且通过 使用s q l i t e 数据库，方便管理用户信息、图片信息与手机号等信息。 本文介绍了整个智能家居安防监控系统的软硬件结构框架和技术方案论证，重点介 绍了整个项目的开发过程和各个功能模块的软件实现方法。最后通过对整个系统进行性 能测试，证明本系统达到了预期的设计目标。 关键词：智能家居；l i n u x ；g p r s ；z i g b e e ：嵌入式w e b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j一i赫iii宣iiiii嗣； a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n di m p r o v e m e n to f l i v i n gs t a n d a r d , t h e r ei sg r o w i n g c o n c e ma b o u tt h ec o m f o r to fh o m ee n v i r o n m e n ta n dt h es e c u r i t yo ff a r n i l y s m a r th o m e s e c u r i t ys y s t e mc a nh e l pp e o p l em a n a g et h ed e t a i l so fl i f e ，a c h i e v ea p e o p l e - o r i e n t e d h o m e l i f ee x p e r i e n c e ，a n dc r e a t eh a r m o n i o u sf a m i l ya t m o s p h e r e 。t h ep a p e ra n a l y z e st h es u c c e s s f u l e x p e r i e n c eo ft h ee x i t 堍s m a r th o m es e c u r i t ys y s t e ma n dp u t sf o r w a r dac o m p l e t es e to f s m a r th o m es y s t e m t h es y s t e mi sb a s e do na r m 9p l a t f o r m ，a n du s e se m b e d d e dl i n u x ， w e bs e r v e r , m o t i o nd e t e c t i o n , s q l i t ea n do t h e rr e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，a n dc o m b i n e d 谢t h i n t e r a c t , z i g b e ea n dg p r sn e t w o r k t h es y s t e mi m p r o v e st h ei n t e l l i g e n c eo ft h es m a r t h o m es y s t e ma n dp u t sf o r w a r dn e wm e t h o d s a n di d e a sf o rs m a r th o m es y s t e m 。 t h es y s t e me x p a n d st h em e a n so ft h ea l a r mb ya p p l y i n gm o t i o n - a l a r m ，i n f r a r e d - a l a r m a n dt e m p e r a t u r e - a l a r m 。w h e na l le x c e p t i o no c c u r s ，t h es y s t e mw i l la u t o m a t i c a l l yc a p t u r e i m a g e s ，a n ds e n dt ou s e r s m o b i l ep h o n ei nt h ef o r mo fm m sa n ds m s s ot h a tu s e r sa 暇 g r a s pc l e a r l yr e a l - t i m es i t u a t i o ni nf a m i l y u s e r sc a l ls e n ds m s t oc o n t r o lh o m ea p p l i a n c e s 。 t h es y s t e mu s e sz i g b e ef o re n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gt o 刚et h ec o s to fw i r i n g t h es y s t e m i n t e r f a c eu s eh t m l ，j a v a s c r i p ta n dc s st e c h n o l o g y , a n dc a nb er e a l i z e dd i r e c t l yi nt h e b r o w s e r , i n c l u d i n gr e m o t ec o n t r o lh o m ea p p l i a n c e s ，r e a l - t i m ev i d e om o n i t o r i n g , s y s t e m m a n a g e m e n t , u s e rm a n a g e m e n ta n das e r i e so fo t h e ro p e r a t i o n s c l i e n ta n dt h es e r v e ru s e s a j a xt e c h n o l o g yt oi m p l e m e n ta s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n , i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f s e r v e r sr e s p o n s e s y s t e mu s es q l i t ed a t a b a s et om a n a g eu s e ri n f o r m a t i o n , p i c t u r e s 。 i n f o r m a t i o na n dp h o n en u m b e r , e t c 硼他s t r u c t u r a lf r a m e so fs o f t w a l 霉a n dh a r d w a r e ，a sw e l la st h ed e m o n s t r a t i o no ft e c h n i c a l s c h e m ea b o u tt h es m a r th o m es e c u r i t ys y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i td i s c u s s e st h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h es y s t e mi nd e t a i l 。m e a n w h i l et h ec o n c r e t es o 鼬v a r er e a l i z a t i o no f d i f f e r e n tf u n c t i o n a lm o d u l e si sf o c u s e d p e r f o r m a n c et e s t ss h o wt h a tt h i ss y s t e ma c h i e v e st h e a n t i c i p a t e dg o a l k e yw o r d s ：s m a r th o m e ；l i n u x ；g p r s ；z i g b e e ；w e bs e r v e r 第1 章绪论 第1 章绪论 随着人们生活水平的提高和需求的日益增长，人们对家居环境的舒适及安全防范的 意识也不断的增强。科学和信息技术的普及与应用，为智能家居安防监控系统降低了门 槛并提供了可靠的技术保障。与传统的家居相比，智能家居系统将使人们的生活更加舒 适、便利和安全。智能家居系统是多技术和多功能的产物，必将获得前所未有发展，成 为新的经济增长点。 1 1 智能家居系统简介 迄今为止，智能家居还没有统一的定义，本文首先给出一个描述性定义【1 1 。智能家 居是利用先进的计算机技术、综合布线技术、网络通讯技术、依照人体工程学原理，融 合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统如灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信 息家电、安防系统、地板采暖等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理， 实现“以人为本”的全新家居生活体验。据国家建设部科技委智能建筑技术开发推广中心 的报告称：随着环保、健康、安全、舒适的智能家居逐步普及，家居智能化的比例会大 幅增加。按照家居产业发展的速度，智能家居市场对智能产品的需求量将大幅度的增长。 在未来几年里，智能家居的市场将会迅速崛起、膨胀【2 】。 智能家居概念的起源很早，1 9 8 4 年美国联合科技公司将建筑设备信息化、整合化概 念应用于美国哈特佛市的首栋智能建筑中，全世界争相建造智能家居的序幕就此揭开。 1 9 8 8 年美国电子工业协会组织开始制定家庭电气设计标准，编制了第一个适用于家庭住 宅的电气设计标准，即家庭自动化系统与通讯标准，也称为家庭总线系统标准( h b s ， h o m eb u ss y s t e m ) 。在其设计的规范与标准中，智能住宅的电气设计要求必须满足以下 三个条件：具有家庭总线系统：通过家庭总线系统提供各种服务功能；能和住宅以外的 外部世界相连接。经过多年的发展，国外已有霍尼韦尔公( h o n e y w e l l ) 、c o n t r o l 4 、l g 等公司开发的成熟产品【引。目前智能家居系统在一些发达国家的普及率已经很高，家用 电子系统的相关技术已经比较成熟，最著名的要属比尔盖茨的“未来之屋 和新加波“智 慧屋 等。现在国外已经制定了很多面向家庭设备互联互通的标准和协议，如以i n t c l 、 m i c r o s o f t 、n o k i a 等公司组建了“数字生活网络联盟”，其目标是为家中的电视、计算机、 手机等多种设备共享信息；日本的夏普、日立和松下等公司成立了e c h o n e t 协会，主 要研究内容包括通信协议、通信接口和通信中间件等，在家居安防产业很具代表性。欧 洲的三大总线协议e h s a 、b a t i b u s 和e i b 也成立了k o n n e x 协会，并提出了k n x 标准， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 2 3 1 1 该标准支持双绞线、电力线和无线之间的通讯。 我国从1 9 9 8 年开始提出“智能家居概念，经历了多年的概念推广和发展，现在 己被人们认识并接受。面对国内的智能家居市场几乎空白的情况，国内一些传统家电业 的巨头也开始进入智能化家居市场，并各自提出了符合中国国情的智能家居协议标准口】。 由信息产业部牵头，联想和康佳、海信、长城、t c l 等五家厂商联合发起组建了“闪联 标准工作组( i g r s ) 。该工作组提出了新一代网络信息设备接e l 规范和交换技术，并设计 了全新的网络架构实现了智能设备互联、资源共享和协同服务；还有由清华同方、中国 网通与春兰等7 家公司共同缔造的“家庭网络标准产业联盟”也称为e 家佳( i t o p h o m e ) ， 现在已经有将近3 0 0 家成员，是国内规模最大的家庭网络标准组织之一。该组织提出基 于t c p i p 协议的智能家庭网络系统，采用了全球最先进的计算机技术、通讯技术、综 合布线技术等。国内这些标准都以完善产业链的形式搭建起家庭网络系统平t 4 j ，随着 这些国内智能家居相关产业的逐渐成熟，智能家居系统必然在我国有广阔的市场空间。 1 2 课题研究的意义 智能家居安防产业已经经历了三十多年的发展历程，己经由原来单一控制发展为现 在多种控制方式，由原来的模拟监控系统发展成为现在的网络化、数字化、智能化监控 系统。如今我国智能家居安防产业有了一定的发展，已经在开始研发并生产拥有自主知 识产权的产品和品牌【3 1 。但在国内智能家居安防产业总体来说还处于市场发展初期，大 。 多数只是参考国外的相关经验，一直没有适合市场的成熟产品，所以真正智能家居的应 用并没有大的突破。随着科学技术的进步和社会经济的不断发展，人们对家居智能化必 然提出越来越高的要求。 我国每年都要发生多起入室犯罪案件，如果家中安装安防监控系统，必然对这些犯 罪份子起到威慑的作用。而且我国每年还会发生多起重大家庭住宅火灾事件，尤其是 2 0 1 0 年1 1 月1 5 日上海静安区一幢高层住宅楼发生大火，导致了5 8 人遇难。由这惨痛 的教训可以看出实现对家中的各项环境参数监控和安防监控已迫在眉睫。开发出一套可 以检测家居中各项环境参数、功能齐全、报警及时的智能家居安防系统，可以大大减少 入室犯罪事件和重大火灾等事件的发生，为构建社会主义和谐社会贡献出一份力量。不 仅如此，智能家居安防监控系统还能帮助人们更好地管理各种生活细节，实现“以人为 本”的全新家居生活体验。所以无论是从经济价值角度还是社会稳定的角度分析，对智 能家居安防监控系统的研究都有相当重要的价值【l l 。 传统的智能家居安防系统中的功能比较单一，软件功能较差，系统也不易维护，操 2 第1 苹绪论 作界面使用起来也不方便，而且大都采用了有线通信技术，系统的设计和布线成本较高。 一般只能实现本地声光报警，不能实现远程报警及时通知用户或小区安全部门，而且整 个系统的监控范围也固定有限。此外也不能在有人闯入的时候记录犯罪证据以便迅速捕 捉嫌疑犯。为了有效解决传统智能家居安防系统的缺点与不足，并进一步满足人们对智 能家居安防系统的渴望与需求，本文设计了一个基于i n t e r n e t 、z i g b e e 和g p r s 的智能 家居安防监控系统，充分实现了智能家居的数字化、网络化与智能化，为未来构建家居 安防监控系统提供了新思路和参考依据。 1 3 论文研究内容 本课题针对当前家居安防监控系统的发展状况，自主设计了一套功能强大的智能家 居安防监控系统。本课题的主要研究内容如下所述： 1 ) 采用嵌入式w e b 服务器： 利用现有的i n t e r n e t 网络，无需布线，直接通过浏览器访问设备。可在w e b 浏览器 上直接实现远程家电控制、远程视频监控、系统设置、用户管理等一系列操作。将整个 系统联入i n t e m e t 使监控与控制范围扩展到了全世界。 2 ) 采用g p r s 网络： g p r s 网络具有覆盖范围广、用户广泛和无线传输等优势。当有人入侵、火灾等险 情时，系统自动拍下照片和录制视频，并打上时间标签，通过m m s 和s m s 形式发送 到远程手机上，进而可以快速通知用户和消防等安全职能，使警情得到及时有效的处理。 系统还可通过短信直接控制家中电器，真正实现了随时随地远程控制家中电器。 3 ) 采用z i g b e e 网络： 应用z i g b e e 搭建无线自主局域网，实现了全方位的控制和报警功能，大幅度的降 低了系统功耗，且通过无线的方式还可省去花在综合布线上的费用和精力。 4 ) 采用触发监控模式： 采用人体红外检测、运动目标检测、火灾报警等多种报警触发方式。通过智能控制 只保存发生异常时的图片和视频文件，有效的节省系统存储开支，并为图片和视频打上 时间标签方便查询和管理。 5 ) 客户端使用a j a x 技术： 针对嵌入式中瘦w e b 服务器处理能力和资源受限问题，提出了一种基于a j a x 与 c g i 相结合的嵌入式w e b 服务器的应用，大大降低了服务器端的开销，有效的提高了整 个系统的响应速度。使用h t m l 、j a v a s c f i p t 和c s s 技术设计了本系统的监控界面，并 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 使用m d 5 算法加密，提供系统安全性。 6 ) 采用s q l i t e 数据库： 方便管理用户信息、图片、手机号等信息。用户只需插入u 盘、s d 卡即可完成图 像和视频的转移，也可通过t c p 将图片与视频传输到远程的服务器上。 1 4章节安排 本系统涉及到的技术比较多，本文着重介绍每项功能的具体实现方法，为以后从事 智能家居安防系统的相关研究人员提供借鉴和参考依据。一个嵌入式l i n u x 系统在软件 的角度上从下到上看可以分为四部分：b o o t l o a d e r 引导程序、l i n u x 内核，根文件系统 以及用户的应用程序，本文的各个章节安排也是基于此顺序进行展开的。 第一章，绪论。介绍了智能家居安防监控系统概念和国内外发展现状，同时说明了 本课题的研究的意义。 第二章，系统总体设计。介绍了系统的整体的硬件和软件框架，并对硬件和操作系 统的选型进行了分析和论证。 第三章，嵌入式系统平台的搭建。介绍了嵌入式开发之前的必须步骤。包括u b o o t 的移植、l i n u x 操作系统移植、l i n u x 设备驱动的开发与移植和g d b 远程调试环境的搭 建。 第四章，系统应用程序主程序的设计。包括系统主程序多线程设计、短信与彩信的 接收与发送和z i g b e e 无线传感网络的搭建。 第五章，视频监控系统平台的搭建。包括图像的采集与处理、视频的采集与传输和 运动目标检测的实现。 第六章，嵌入式w e b 服务器平台的搭建。包括c g i 与a j a x 技术的使用、s q l i t e 数据库的使用和系统界面的实现效果。 最后对本文所做工作进行总结，并对智能家居安防监控系统进一步的研究工作进行 了展望。 4 第2 章系统总体波计方案 第2 章系统总体设计方案 2 1系统结构和功能简介 本系统结合了i n t e r n e t 网络、z i g b e e 网络和g p r s 网络，提出了智能家居安防监控 系统的完整解决方案。系统的总体框架图如图2 1 所示： 图片管理 图2 1嵌入式智能家居安防监控系统框架图 本文设计的嵌入式智能家居安防监控系统主要由三部分组成：嵌入式w e b 服务器、 用户终端( 包括用户手机和远程p c ) 和由z i g b e e 组成的电器终端。由a r m 9 处理器组成 的嵌入式w e b 服务器是整个系统的核心，是连接z i g b e e 家庭无线网、g p r s 无线网络 和i n t e r n e t 网络的网关，使得三网之间可相互进行通信。家中电器使用z i g b e e 组成了星 形网络，接受来自w e b 服务器的消息来对家中电器进行控制，或将温度和报警信息等 参数传到w e b 服务器上在浏览器上进行显示。当家中有异常情况时，系统自动拍摄照 片，并以m m s 的形式将家中实时情况和报警信息发送到用户手机上。系统移植了嵌入 式数据库s q l i t e ，可方便的在浏览器上直接进行图片和视频管理、用户名密码设胃和用 户手机号设冒等。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 本系统较大程度的提高了家居安防系统的智能化程度。系统完成的主要的功能如下 所述： 1 ) 多种控制家电的方式 家中电器通过z i g b e e 搭建了无线自主局域网，使家中全部房间都至于控制之中。 本地用户可通过按键对z i g b e e 网络中的家用电器进行控制；远程用户如正使用联 网p c ，则可直接登录网关i p ，直接通过w e b 浏览器对家中电器进行控制，并可直接在 浏览器上实远程视频监控、系统设置、用户管理等一系列操作：若当远程用户没在使 用p c 时，也可通过发送预先设定的短消息指令来实现对家中电器进行控制和监测。通 过多种控制家电的方式，本系统真正的实现了可随时随地对家中电器的任意控制。 2 ) 多种触发方式 本文采用了复合型报警方式的系统设计思想。紧急按钮报警：本地用户可以使用 按动紧急按键实现报警功能；运动目标检测报警：通过对室内的定点视频监控，当发 现不明移动物体，可认为非法闯入，自动完成报警。人体红外报警：通过热释电红外 模块，可检测7 米范围以内是否有人闯入，如有人闯入则系统自动完成报警。火灾报 警：温度变化超过安全指标时则自动向小区安全中心和主人报警。通过使用多种触发方 式，本系统实现了对家中各种异常情况的有效感知 3 ) 多种报警方式 当家中有异常情况时，本系统采用多通道的报警方式。本地报警：本地用户可根 据需要设置蜂鸣器报警或者m p 3 音乐报警。远程彩信报警：系统根据不同异常情况 拍下不同数目的照片，通过s m s 和m m s 的方式发送到用户手机或小区安全部门。 远程p c 报警：用户可以直接在浏览器上对家中进行实时视频监控。同时搭建w e b 服务 器，在浏览器上显示报警信息和监测各种数据。系统还通过使用z i g b e e 搭建无线局域 网进行多传感器采集数据，实现全方位的安全监测和报警功能。 4 ) 多种图像和视频的转移方式 用户只需插入u 盘或s d 卡即可完成照片或视频的转移，也可通过s o c k e t 与远程的 主机建立t c p 连接，将图片和视频传输到远程的主机上。通过多种方式，可方便快捷 的完成入侵时的犯罪取证。 2 2 嵌入式系统硬件规划 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的 每个角落，包括工业、消费电子、服务行业等，而恰恰由于这种范围的不断扩大，使得 6 第2 苹系统总体设计方案 “嵌入式系统”更加难于明确定义。目前国内一个普遍被认同的嵌入式系统定义是：以 应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统【6 】。嵌入式系统发展迅速，已逐渐成为当今最有发展前 途的信息产业应用技术之一。尼葛洛庞帝在他的数字化生存一书中预言：“4 至5 年后，嵌入式智能产品将是继p c 和i n t e m e t 之后最伟大的发明”【5 1 。 2 2 1 处理器的选择 随着嵌入式技术的不断提高，作为嵌入式系统核心的处理器也得到了迅速的发展。 处理器是构建智能家居监控系统的硬件平台的核心，系统实现的各个功能都是通过处理 器来实现的。目前国内比较常用的处理器体系有：a r m 、p o w e r p c 、m i p s 、i n t e l8 0 5 1 、 a t m e l a v r 等。其中p o w e r p c 和m i p s 主要用于网络协议处理和某些工业控制场合。i n t e l 8 0 5 1 和a t m e la v r 都属于功能相对简单的单片机产品，虽用途很广泛，芯片出货量很 大，但其基本上不支持操作系统，主要针对那些智能化要求比较低且控制功能单一的应 用。而a r m 内核的芯片是目前用途最广，产品出货量最大，目前在手机市场已经占据 超过8 0 的市场，在数字机顶盒、手持多媒体系统、p d a 、智能家居中也逐渐占据主导 地位。a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 是一家专注于通用处理器知识产权研究开发的公 司，自身并不直接生产芯片，而是向其他半导体和芯片制造商提供设计授权来推广其产 品。a r m 处理器采用精简指令体系( p o s c ) ，并采用片上系统( s o c ) 架构将控制器以及外 部总线或接口控制器都集成在了单一芯片_ 1 ：t 8 1 。 考虑到系统要求、成本和设计目标等，本系统采用三星公司生产的$ 3 c 2 4 4 0 作为系 统的微处理器，$ 3 c 2 4 4 0 是三星公司推出的一款采用a r m 9 2 0 t ( 删9 2 0 t 采用3 2 位 r i s c 处理器内核和5 级流水线，具有m m u 且集成指令和数据缓存) 的微处理器。 $ 3 c 2 4 4 0 内部集成了s d r a m 控制器、两路u s bh o s t 控制器、两个s p i 通道、三个u a r t 通道、四个d m a 通道、四个p w m 定时器、8 路1 0 位a d 转换器和触摸屏接口、l c d 控制器、i i s 音频编码接口、s dh o s t 接口、摄像头接口等。典型主频4 0 0m h z ，最高可 达5 3 3m h z ，具有性能高、成本低、功耗低和资料丰富等特点，完全能够满足本系统的 需要。 2 2 2 其他模块的选择 本系统z i g b c c 无线收发模块采用的是t 1 公司生产的c c 2 4 3 0 芯片，c c 2 4 3 0 具备 了z i g b e e 技术的各种底层硬件的需求。c c 2 4 3 0 内部有一个高性能d s s s ( 直接序列扩频) 哈尔滨t 程大学硕七学何论文 射频收发器，是一个真正的系统芯片c m o s 解决方案1 7 。c c 2 4 3 0 包含一个增强型工 业标准的8 位8 0 5 l 微控制器内核，具有8 倍于标准8 0 5 1 内核的性能。本系统在 其上面进行电路的扩展，无需再增加处理芯片了。而且t i 公司提供了z - s t a c k 协议 栈，很大程度的减轻了本系统z i g b e e 部分软件开发的工作量。 本系统的g p r s 模块采用谱泰通信科技公司生产的p t w 7 3g p r s 模块，该模块内 置t c p i p 协议并扩展了方便易用的t c p i p 操作命令，且模块内置了m m s 彩信协议， 可比较方便的发送彩信。该模块还提供了r s 2 3 2 接口，可与$ 3 c 2 4 4 0 开发板通过串口 直接进行通信。红外传感器采用人体热释电传感器模块，当有人进入其感应范围则输入 高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。在小于1 2 0 度锥角，7 米以内都可以有效的感应是否有人入侵。 本系统温度传感器使用数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 ，它由d a l l a s 公司所生产， 具有独特的单总线工作方式，与$ 3 c 2 4 4 0 处理器只需一条线即可实现双向通信，无需再 经过其他变换电路，直接可输出温度值。且测温范围为5 5 + 1 2 5 ，测量精度为o 5 1 1 7 1 ，完全符合家居环境温度的检测。目前大多数家居监控系统只支持中星微z 3 0 1 芯 片的u s b 摄像头，但这种摄像头在市面上几乎已经绝迹。本系统基本支持目前国内市 场上所有的u s b 摄像头。并且本系统支持大容量的u 盘或s d 卡( 支持热拔插) ，只需 插入u 盘或s d 卡即可完成照片和视频的转移。 2 2 3 系统硬件的总体结构 本系统以s 3 c 2 4 4 0 处理器为核心作为家庭网关的平台，在此基础上利用z i g b e e 模 块展开无线家庭传感器网络的设计。本系统的总体硬件框图如图2 2 示： 摄像头 u 盘 人体感 应模块 以太网 控制器 寻。 图2 2 智能家居安防监控系统硬件框图 8 g p r s 模块 c c 2 4 3 0 墨一 第2 章系统总体设计方案 由$ 3 c 2 4 4 0 组成的嵌入式w e b 服务器是整个系统的核心，也是整个z i g b e e 网络的 主控节点，用于监控各个从节点的状况。$ 3 c 2 4 4 0 支持三个串口，其中串口o 用于开发 阶段的调试，串口l 用于连接g p r s 模块，串1 32 用于连接z i g b e e 模块。并且还在s 3 c 2 4 4 0 开发板上外扩了d s l 8 8 2 0 温度传感器和人体红外传感器等。z i g b e e 无线网络分为主控 节点和从节点，也称为协调器和终端节点。其中带有传感器的从节点，与主控节点构成 星形传感器网络，使全部房间都至于监控之中。各个从节点将各项环境参数发送到主控 节点，主节点再通过串口将数据传给嵌入式w e b 服务器，最终在网页上实时显示。同 时从节点接受来自主节点的控制信息，如控制灯光、电器设备的开闭及调节等，来执行 相关的操作。， 目前市面上s 3 c 2 4 4 0 的开发板已经相当丰富，资料也很多，本文不再详述硬件的具 体的连接方式，基于$ 3 c 2 4 4 0 的开发板基本都适合本系统的开发。本系统选择的开发板 提供了丰富的硬件资源，如表2 1 所示： 表2 1 $ 3 c 2 4 4 0 开发板硬件资源技术参数表 硬件名称基本参数 c p u 处理器 s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 a l 主频4 0 0 m h z ( 最高达5 3 3 m h z ) s d r a m 内存板载6 4 m b3 2 b i t 数据总线时钟高达1 0 0 m h z n a n df l a s h 板载6 4 m b 位宽为8 位k 9 f 1 2 0 8 芯片 n o rf l a s h板载2 m b 位宽8 位的a m 2 9 l v l 6 0 d b 芯片 触摸屏东华3 2 0 * 2 4 0 3 5 英寸t f t 触摸式液晶屏 触摸屏控制器集成4 线电阻式触摸屏接口 网络适配器 板载1 0 0 md m 9 0 0 0 网夤，带联接和传输指示灯； 声音接口采用芯片u d a l 3 4 1 ，立体声音频输出 串口 ： 支持= 个串口 u s b 接口2 个u s b l i h o s t 接口和1 个u s b i 1 d e v i c e 接口 s d 接口一个s d 卡接口 按键提供4 个按键 2 3 嵌入式系统的软件规划 2 3 1 操作系统的选择 操作系统是一类特殊的系统软件，它管理着整个系统的所有的硬件和软件资源。当 系统越来越大，应用越来越多，使用操作系统就很有必要。操作系统屏蔽了硬件的底层 特性，向应用软件提供了一个统一的接口。操作系统还可统一管理系统资源、调度多个 应用程序、管理文件系统等。目前国内嵌入式系统领域中比较常见的操作系统如表2 2 所示【8 】： 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 表2 2 常见的嵌入式操作系统 操作系统 应刚领域 l i n u x 用途最广、装备最多 s y m b i a n 仅用于手机产品，且只有诺基亚、三星、索尼爱立信等s y m b i a n 手机 联帮介、i i ，能使用 u c o s l i 应用于某其实时性要求较高的小犁终端设备上 应用于某些实时性和可靠性要求很高的人型控制系统或通信设备的 v x w o r k s 板卡上 应用于采用中国台湾地区联发科( m t k ) 公司芯片的手机上，基本都是 n u c l e u s 中低端的非智能手机。 p a l m o s 国内使用较少，进口p d a 产品使用 w i n d o w sc e 主要刚于机顶盒等操作界面不太复杂的装置 w i n d o w sm o b i l e 主要用于智能手机和p d a w i n d o w sx pe m b e d d e d 主要刚于银行a t m 机之类的立式终端设备 不是新的操作系统，以谷歌为主的开放手机联盟提供的免费和开放的 a n d r o i d 手机平台，基于l i n u x 内核 现在的电子产品的性能在不断的提升，但其价格却一直在下降。所以开发智能家居 安防系统必须注重其成本。对于操作系统而言，免费、自由的l i n u x 无疑是强有力的竞 争者，凭借着优异的特性和良好的发展趋势，l i n u x 轻而易举的登上了嵌入式操作系统 的头把交椅，所以本系统的开发也毫无疑问的选择了l i n u x 。l i n u x 系统还支持众多的应 用程序和联网协议，其良好的开源性和交叉编译工具的使用意味着可以从x 8 6 机上移植 大量的软件来进行嵌入式l i n u x 的开发，本系统的部分功能的实现也是得益于此。 2 3 2 系统软件体系结构 本系统移植了大量软件，为了达到更好的性能和效果，尽量都选取了最新的版本， 本节简要介绍系统的整个软件体系结构图，具体实现方法在下几章进行讲解。整个系统 的软件体系结构如图2 3 所示。 在系统底层中主要包括以下几方面：使用u b o o t 2 0 1 0 6 初始化了整个系统硬件与 外围设备，并引导启动l i n u x 内核；使用l i n u x 2 6 3 5 6 系统内核来安排整个系统的所 有资源和协调所有程序：利用y a f f s 2 文件系统来管理系统的目录和相关存储文件； 移植或编写网卡、红外、d s l 8 8 2 0 、u s b 和摄像头等驱动程序。 在系统的上层应用程序中主要包括以下几方面：采用多线程技术，编写了系统的 主进程，提高了应用程序响应：移植了嵌入式b o a 服务器，利用c g i 编程实现了动 态网页和服务器端的功能；移植和使用嵌入式数据库s q l i t e 管理各种信息；移植和 使用m j p gs t l l e a l l l e r 开源软件进行视频图像的采集与传输：移植了m o t i o n 开源软件 来进行运动图像的检测，并使用f f i n p e g 库录制视频：使用h t m l 、j a v a s c r i p t 和c s s l o 第2 章系统总体设计方案 编写了本系统的监控页面，并使用a j a x 技术实现了浏览器与服务器之间的异步通信。 监控网页( h t m l + j a v a s c r i p t + c s s + a j a x ) i n j p g - s t r e a m e r 视频服务器 m o t i o n 运动 图像检测 f f - m p e g 多；媒 体处理软件 m a d p l a y 播 放m p 3 软件 w e b 服务器b o a - 0 4 9 1 3 数据库s q l i t e - 3 6 2 0 系统主函数 l 温度l i 按键i 消息 信息 i 红外l g p r sl i 运动检； ；线程i 线程i 线程l l 线程i i 线程i i 线程i i 测线程i y a f f s 2 文件系统 k e r n e ll i n u x2 6 3 5 6 r 网苄一可审_ 口f j 鞭一可菝像买矿红歹 _ 并u 蟪一_ | r d s - ii i b i i 黝一也ii 黝n 曼煎! l i 黝；l 黝违里魂生幽竖动一i 引导程序u b o o t 2 0 10 6 2 4 本章小结 图2 3 智能家居安防监控系统软件体系结构 本章首先阐述了智能家居安防系统的总体结构和功能设计目标，然后制定出本系统 的硬件和软件的框架与实现方案，介绍了硬件芯片型号和使用的软件版本，并对提出的 软硬件决方案做了适当的分析与论证。 一统试m 一 弑搿一 一制器m一 黝螺堡 一理像m 一 甄醐吾| 看像m 醋醐堕 户理m 一 | 叁雠吾| 一置码m 一 诞鄂望 一户测曼驴删吾| 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 第3 章嵌入式系统平台的搭建 工欲善其事，必先利其器。在嵌入式开发工作前，必须建立一个开发环境。开发环 境包括了操作系统、编译器、调试器和各种辅助工具等。开发本系统使用的是f e d o r a l 2 操作系统，在此平台上进行了下面具体的应用与开发。 3 1 u b o o t 移植 b o o t l o a d e r 是系统上电后最初加载运行的代码，是使系统硬件和软件衔接的重 要的系统软件。我们常用的p c 机一般由b i o s 开始执行，然后读取硬盘中位于主 引导记录( m b r ) 中的b o o t l o a d e r ( 如g r u b 或l i l o ) ，并进一步引导操作系统 的启动。但在嵌入式系统中一般没有像b i o s 那样的固件程序，因此整个操作系统 完全由b o o t l o a d e r 来启动。b o o t l o a d e r 在系统上电的时候最先执行，首先初始化硬 件设备，并提供一个可操作的软件环境，最后调用操作系统1 9 1 。当然也可以增强 b o o t l o a d e r 的功能，比如增加网络的功能，可从p c 上通过网络或串口下载软件，烧写 文件等。 3 1 1u b o o t 简介与启动流程 本系统的b o o t l o a d e r 选用源代码开放的u b o o t ，并选用了较新的版本u b o o t 2 0 1 0 6 。 u b o o t 是由德国d e n x 小组开发的支持多种处理器和支持多种操作系统，并遵循g p l 条款的b o o t l o a d e r 程序【1 0 1 。在开源领域，u b o o t 对l i n u x 系统的支持最完善，因此是嵌 入式l i n u x 的b o o t l o a d e r 的最佳选择之一。u b o o t 的源码目录和编译形式与l i n u x 内核 十分的相似，事实上不少u b o o t 的源码是对l i n u x 内核源程序的简化，从一些设备的 驱动程序中可以看出这点。 u - b o o t 的启动过程主要分为两个阶段：第一阶段是在f l a s h 中运行的汇编代码，在 f l a s h 中的入口函数为“e p u a r m 9 2 0 t s t a r t s ”。主要完成的功能包括初始化硬件，将f l a s h 代码复制到s d r a m 中，同时为c 程序创建环境。具体包括设置异常向量表、屏蔽看门 狗和中断，关闭m m u 和c a c h e 、初始化存储器空间、将u b o o t 内容复, t j 至us d r a m 中、 设置堆栈大小等；第二阶段主要包括初始化各种硬件设备( 如设置时钟频率，初始化串 口等) 、设置处理器类型、检测系统内存和地址空间信息、准备内核引导参数、将内核 映像加载到内存、最后跳转到内核，开始执行内核初始化程序，控制权转到l i n u x 内核 代码，u - b o o t 的使命结束1 1 0 l 。 1 2 第3 章嵌入式系统平台的搭建 3 1 2 u b o o t 移植流程概述 u b o o t 的移植工作主要分为处理器部分和开发板部分，重点在于对硬件的初始化。 u - b o o b 2 0 1 0 0 6 已经支持$ 3 c 2 4 1 0 的处理器，但还没有对s 3 c 2 4 4 0 的支持，需自己移植。 对于本系统的开发版，具体的硬件规划如下： b a n k 0 外接容量为2 m b ，位宽为8 位n o rf l a s h 芯片a m 2 9 l v l 6 0 d b ： b a n k 3 外接1 0 0 m 网卡芯片d m 9 0 0 0 ，位宽为1 6 ； b a n k 6 外接6 4 m b ，位宽为3 2 位的s d r a m 芯片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 f ： n a n df l a s h 控制器外接容量为6 4 m b ，位宽为8 的n a n df l a s h 芯片k 9 f 1 2 0 8 由于n a n df l a s h 的“位反转”现象很常见，在读写时需使用e c c 校验保证数据的 正确，另外n a n df l a s h 在使用过程中还可能产生坏块，所以本系统选择在n o rf l a s h 中 保存u b o o t 程序，在n a n df l a s h 来保存l i n u x 内核和文件系统。这样，即使n a n df l a s h 出现坏块内核不能启动，也可通过n o rf l a s h 来重新烧写。本系统并对u b o o t 的功能 进行了扩展，增加了以下新的功能： 支持s 3 c 2 4 4 0 开发板，并可从n o rf l a s h 和n a n df l a s h 双启动 支持网卡芯片d m 9 0 0 0 和n a n df l